Schulfach Physik Oberstufe
Optik verstehen mit Karteikarten: Licht, Linsen und Wellenoptik
Die Optik untersucht die Ausbreitung von Licht und seine Wechselwirkung mit Materie. Geometrische Optik beschreibt Reflexion und Brechung mit Strahlen; Wellenoptik erklärt Beugung, Interferenz und Polarisation. Beide Modelle haben ihren Gültigkeitsbereich, und das Photonenmodell ist nötig, um den Photoeffekt zu erklären.
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Optik: Geometrie plus Wellenphysik
Die meisten Abituraufgaben verlangen entweder Strahlengang-Konstruktion oder Wellenlängenberechnung aus Interferenzmustern.
- Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel (beide zur Normalen). Gilt für ebene und sphärische Spiegel.
- Snellius-Brechungsgesetz: n₁ · sin α₁ = n₂ · sin α₂. Beim Übergang in dichteres Medium (n₂ > n₁) wird der Strahl zur Normalen hin gebrochen.
- Linsengleichung: 1/f = 1/g + 1/b; f: Brennweite, g: Gegenstandsweite, b: Bildweite. Vergrößerung V = b/g.
- Interferenz: Konstruktiv bei Wegunterschied Δs = m·λ (m ganzzahlig). Destruktiv bei Δs = (m + ½)·λ. Doppelspalt: Δs = d·sin θ.
- Beugungsgitter: d·sin θ = m·λ; d: Gitterkonstante (Abstand der Spalte), m: Ordnung, θ: Beugungswinkel.
Alle Karten in diesem Set
| Vorderseite | Rückseite |
|---|---|
| Wie lautet das Reflexionsgesetz? | Einfallswinkel α = Reflexionswinkel α' (beide zur Flächennormalen gemessen). Einfallender und reflektierter Strahl liegen in einer Ebene mit der Normalen. |
| Wie lautet das Snelliussche Brechungsgesetz? | n₁ · sin α₁ = n₂ · sin α₂; n₁, n₂: Brechungsindizes der Medien; α₁: Einfallswinkel, α₂: Brechungswinkel (beide zur Normalen). |
| Was ist der Brechungsindex und was sagt er über die Lichtgeschwindigkeit aus? | n = c/v; c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (3·10⁸ m/s), v: Phasengeschwindigkeit im Medium. Größeres n bedeutet kleinere Lichtgeschwindigkeit im Medium. |
| Was ist Totalreflexion und wann tritt sie auf? | Totalreflexion tritt auf, wenn Licht vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium fällt und der Einfallswinkel größer ist als der Grenzwinkel α_G: sin α_G = n₂/n₁. |
| Wie lautet die Linsengleichung? | 1/f = 1/g + 1/b; f: Brennweite (positiv für Sammellinse, negativ für Zerstreuungslinse), g: Gegenstandsweite, b: Bildweite. |
| Was ist die Vergrößerung einer Linse? | V = B/G = b/g; B: Bildgröße, G: Gegenstandsgröße, b: Bildweite, g: Gegenstandsweite. V > 1: Vergrößert; V < 1: verkleinert; V negativ: umgekehrt. |
| Was ist Brechkraft und welche Einheit hat sie? | D = 1/f; Einheit: Dioptrie (dpt = m⁻¹). Sammellinse: D > 0; Zerstreuungslinse: D < 0. Bei dünnen Linsen hintereinander: D_ges = D₁ + D₂. |
| Wodurch entsteht Interferenz? | Überlagerung kohärenter Wellen (gleiche Frequenz, feste Phasenbeziehung). Konstruktiv: Amplituden addieren sich (Wegunterschied Δs = m·λ). Destruktiv: Amplituden löschen sich aus (Δs = (m+½)·λ). |
| Was beschreibt das Doppelspalt-Experiment? | Zwei kohärente Lichtquellen (Spalte) erzeugen ein Interferenzmuster. Maxima bei d·sin θ = m·λ; d: Spaltabstand, θ: Winkel, m: ganzzahlige Ordnung, λ: Wellenlänge. |
| Wie berechnet man die Wellenlänge mit einem Beugungsgitter? | d · sin θ = m · λ; d: Gitterkonstante = 1 / (Striche pro mm), m: Ordnung des Maximums, θ: Beugungswinkel. |
| Was ist Dispersion? | Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge. Kurzwelliges Licht (blau) wird stärker gebrochen als langwelliges (rot). Ursache für Prismen-Spektrum und Regenbögen. |
| Was ist Polarisation und womit lässt sie sich nachweisen? | Transversalwellen (Licht) können in einer Ebene schwingen (linear polarisiert). Nachweis: zwei Polarisationsfilter (Analysator); bei 90° Winkel zueinander wird Licht vollständig ausgelöscht (Malus' Gesetz: I = I₀ · cos² θ). |
| Was ist der Unterschied zwischen Sammel- und Zerstreuungslinse? | Sammellinse (konvex): bricht parallele Strahlen zu einem reellen Brennpunkt. Zerstreuungslinse (konkav): bricht parallele Strahlen auseinander; virtueller Brennpunkt auf der Eingangsseite. f positiv / negativ. |
| Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum? | c = 2,998 · 10⁸ m/s ≈ 3 · 10⁸ m/s. Sie ist eine Naturkonstante und das Maximum jeder Informationsübertragung. |
| Was ist das Wellenmodell des Lichts im Unterschied zum Strahlenmodell? | Strahlenmodell (geometrische Optik): erklärt Reflexion, Brechung, Abbildungen. Wellenmodell: erklärt Beugung, Interferenz, Polarisation. Gültigkeitsgrenze: Strahlenmodell versagt, wenn Strukturen kleiner als die Wellenlänge sind. |
| Was ist kohärentes Licht? | Licht mit konstanter Phasendifferenz und gleicher Frequenz (notwendig für Interferenz). Laser erzeugt kohärentes Licht; normale Glühlampen oder LEDs sind inkohärent. |
| Wie konstruiert man das Bild einer Sammellinse für einen Gegenstand jenseits der doppelten Brennweite? | Drei Strahlen: 1. Parallelstrahl → wird durch Brennpunkt gebrochen. 2. Mittelpunktstrahl → geht ungebrochen durch das Linsenzentrum. 3. Brennpunktstrahl → verläuft parallel nach der Linse. Schnittpunkt = reelles, verkleinertes, umgekehrtes Bild. |
| Was ist optische Weglänge? | L = n · d; Produkt aus Brechungsindex n und geometrischer Weglänge d. Relevant für Interferenz: Wegunterschied in optischer Weglänge entscheidet über konstruktive oder destruktive Interferenz. |
| Was ist Beugung? | Ablenkung von Wellen an Hindernissen oder Spalten, deren Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen. Erklärbar durch das Huygensche Prinzip: jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Kugelwelle. |
| Was ist Absorption und wie hängt sie mit der Farbe eines Stoffs zusammen? | Absorption: Licht bestimmter Wellenlängen wird vom Stoff aufgenommen und in Wärme oder andere Energie umgewandelt. Die Farbe eines Stoffs entspricht dem nicht absorbierten (remittierten) Lichtanteil. Ein roter Stoff absorbiert blaues und grünes Licht. |
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Häufige Fragen
Warum sehen wir im Doppelspalt-Experiment abwechselnd helle und dunkle Streifen?
Licht aus beiden Spalten überlagert sich. Wo die Wegdifferenz ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist (Δs = mλ), addieren sich Amplituden (hell). Wo Δs = (m+½)λ gilt, löschen sie sich aus (dunkel).
Warum lässt sich Lichtbrechung mit dem Brechungsindex beschreiben?
Licht verlangsamt sich im optisch dichteren Medium (v = c/n). Damit sich die Wellenfront ohne Lücken fortsetzt, muss der Winkel zur Normalen kleiner werden. Das Snellius-Gesetz beschreibt genau diesen geometrischen Zusammenhang.
Was ist der Unterschied zwischen reellem und virtuellem Bild?
Ein reelles Bild entsteht, wo sich Lichtstrahlen tatsächlich schneiden; es kann auf einem Schirm aufgefangen werden (z.B. Filmprojektor). Ein virtuelles Bild entsteht, wo sich Strahlen nur in ihrer Verlängerung schneiden; es kann nicht auf einem Schirm abgebildet werden (z.B. Spiegel, Lupe).